Introducción
Las supercélulas están compuestas por capas de carbono de un átomo de espesor. Esta tecnología puede cargar rápidamente teléfonos móviles y automóviles en el menor tiempo posible, y puede fabricarse e integrarse fácilmente en dispositivos, con el potencial de crear teléfonos móviles más pequeños en el futuro.
Fabricación
Para desarrollar el diminuto supercondensador, los investigadores utilizaron capas de grafeno bidimensionales que tienen solo un átomo de espesor en la tercera dimensión.
Supercélulas
Debido a que los métodos tradicionales de fabricación de microsupercondensadores, que implican fotolitografía intensiva, han demostrado ser difíciles de crear dispositivos de bajo costo, sus aplicaciones comerciales han sido limitadas.
Sin embargo, basándose en la tecnología de DVD de escritura a la velocidad de la luz producida en masa, los investigadores pueden crear microsupercondensadores de grafeno a una fracción del costo de los dispositivos tradicionales.
Utilizando esta técnica, se pueden fabricar más de 65.438.000 superbaterías diminutas en un CD utilizando materiales baratos en menos de 30 minutos.
Características
Para que una súper batería sea más eficiente, los dos electrodos separados deben colocarse de manera que se maximice su superficie, lo que permitirá que la súper batería almacene más energía eléctrica.
En el pasado, las microbaterías se fabricaban a partir de capas de grafeno apiladas como electrodos, como rebanadas de pan de sándwich. Pero en los supercondensadores, los investigadores utilizan un modelo entrecruzado, que se asemeja a dedos entrelazados, para alinear los electrodos uno al lado del otro. Esto ayudará a maximizar el área de superficie de los dos electrodos, aunque también reducirá las rutas por las que deben difundirse los iones del electrolito.
Perspectivas
Las súper baterías pueden almacenar más energía y completar la carga más rápido. Los investigadores dicen que en el futuro, la gente podrá fabricar estas súper baterías en casa.
Sin embargo, existen desafíos en el diseño y fabricación de unidades de almacenamiento de energía de circuitos electrónicos integrados, afirmó Richard Kahn, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California en Los Ángeles.
En la vida diaria, la capacidad insuficiente de la batería suele preocupar a los usuarios de vehículos eléctricos y teléfonos inteligentes. Las súper baterías con un rendimiento estable y un precio razonable han sido un sueño que los humanos han estado persiguiendo durante muchos años. La descripción actual en imagen de las superbaterías se puede resumir de la siguiente manera: un coche eléctrico puede recorrer 1.000 kilómetros con una sola carga y un teléfono inteligente se puede utilizar durante una semana. El tiempo de carga se puede controlar en unos minutos, preferiblemente carga inalámbrica. El tamaño de mercado de esta súper batería no es inferior a 1 billón de dólares. Actualmente, Estados Unidos, China, Japón y Corea del Sur compiten por las súper baterías.
Las baterías de iones de litio que se utilizan actualmente se comercializaron recién después de 1991. Hay tres tipos principales: óxido de cobalto y litio, fosfato de hierro y litio y manganato de litio. Las baterías de óxido de litio y cobalto tienen la mayor densidad de energía, pero son inestables a altas temperaturas, y las otras dos tienen densidades de energía bajas. La quinta generación de baterías recargables, las baterías de metal de litio, nació en 1996. Es superior a las baterías de iones de litio en términos de seguridad, capacidad específica, tasa de autodescarga y rentabilidad. Pero todavía existe una gran brecha con respecto a los requisitos de las súper baterías.
Se espera que el grafeno conduzca a nuevos avances en baterías. El grafeno, nacido en 2004, se caracteriza por su buena conductividad eléctrica y térmica: como conductor eléctrico, su conductividad eléctrica es comparable a la del cobre metálico, como conductor térmico es el mejor de los materiales existentes y aún más raro. Sí, este material es muy duro aunque sea muy fino. El grafeno ha sido catalogado como un material importante por los principales países industriales para un desarrollo en profundidad. En la actualidad, la investigación de la aplicación del grafeno en baterías tiene básicamente tres direcciones:
Primero, el grafeno se utiliza para formar nuevos sistemas de baterías. En otras palabras, las baterías que utilizan grafeno para crear un nuevo sistema tienen un rendimiento disruptivo y se denominan "súper baterías". La densidad energética de las baterías fabricadas con este material supera los 600wh/kg, cinco veces la de las baterías de litio de potencia actuales. Solo tarda 8 minutos en cargarse una vez y puede recorrer 1.000 kilómetros.
El peso de la batería es sólo la mitad que el de una batería de iones de litio, y el volumen se reducirá considerablemente, lo que reducirá el peso del automóvil que utiliza la batería y la duración de la batería es 4 veces mayor que la de las baterías hidrogenadas tradicionales y 2; veces mayor que el de las baterías de litio; su costo será mayor que el de las baterías de litio actuales. La batería se redujo en un 77. Estos parámetros físicos cumplen con los requisitos de las súper baterías.
La segunda es utilizar grafeno para mejorar el rendimiento de las baterías existentes. Aplique grafeno a las baterías existentes para mejorar el rendimiento de las baterías de litio, células solares y otras baterías, y esfuércese por lograr el rendimiento de las súper baterías. Para aquellas empresas que han invertido mucho en la construcción de fábricas de baterías de litio, será difícil invertir en el desarrollo de una nueva batería en el corto plazo. Puede ser más realista utilizar las propiedades del grafeno para mejorar el rendimiento de las baterías de litio existentes. En términos de las propiedades del grafeno, el grafeno, como el nanomaterial más delgado, duro, conductor y flexible, puede usarse ampliamente en productos de almacenamiento de energía como baterías de iones de litio, supercondensadores y células solares. La estructura especial del grafeno determina que puede mejorar el rendimiento de los iones de litio en las baterías para obtener canales de alta velocidad, lo que puede ayudar a la tecnología de las baterías de litio a superar obstáculos insuperables a largo plazo. Las baterías de teléfonos móviles desarrolladas actualmente utilizando grafeno y silicio como materias primas pueden funcionar durante una semana en sólo 15 minutos cada vez.
En tercer lugar, el rendimiento del grafeno en pilas de combustible catalíticas. Un material especial de grafeno reemplaza al platino como catalizador para producir combustible de hidrógeno para pilas de combustible. Una pila de combustible es un dispositivo de generación de energía que convierte directamente la energía química del combustible en energía eléctrica. En comparación con otras baterías, tiene las ventajas de una alta eficiencia de conversión de energía y ninguna contaminación ambiental. La membrana conductora de protones es la parte central de la tecnología de pilas de combustible. A menudo existen fugas de combustible en las membranas de protones existentes, lo que reduce la eficacia de la batería. Sin embargo, los protones pueden "atravesar" fácilmente materiales bidimensionales como el grafeno, mientras que otras sustancias son difíciles de cruzar. Esto puede resolver el problema de la penetración del combustible y mejorar así el rendimiento de la batería.
La aplicación de la tecnología del grafeno aún está en su infancia, especialmente los materiales de grafeno de una sola capa, que pueden reducir en gran medida el tamaño y el peso de las baterías. Sin embargo, la tasa de rendimiento es baja y el costo de producción es alto. lo que dificulta la industrialización de las baterías de grafeno por razones importantes. Por tanto, seguir innovando, mejorar la tecnología y reducir los costes de producción son las claves para el desarrollo futuro de las baterías de grafeno. En la actualidad, mi país está a la vanguardia mundial en I + D y aplicación de grafeno, y un lote de baterías de grafeno y baterías de grafeno de litio y azufre han logrado avances revolucionarios.
Por supuesto, la investigación y el desarrollo global en el campo de las baterías no se limita al grafeno. Japón está desarrollando el uso de magnesio para producir baterías con mayor rendimiento y menor coste; mejorar el rendimiento de las baterías de litio. Sin embargo, para que estas nuevas tecnologías sean realmente prácticas o incluso formen una gran industria, aún necesitan ser bautizadas por el mercado.
En definitiva, el proceso de búsqueda de superbaterías es un proceso de innovación tecnológica y optimización de la estructura industrial. El avance de las súper baterías representado por el grafeno será un momento en el que todos los equipos de propulsión eléctrica, incluidos los nuevos aviones autónomos, vehículos eléctricos, teléfonos móviles y computadoras, se transformarán. Tendrá una importancia disruptiva para muchas industrias y definitivamente abrirá una nueva. página para la vida humana.